JP7108607B2 - 導電性フレークで強化された、ポリマー安定化電極用組成物、及び、その製造方法 - Google Patents
導電性フレークで強化された、ポリマー安定化電極用組成物、及び、その製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、ポリマーで安定化された粒子電極を強化するための組成物と、特にエネルギー貯蔵装置における、そのような組成物及び電極の低エネルギー製造方法とに関する。
近代的な技術に電力を供給するために使用されるエネルギー貯蔵装置は、多数あり、キャパシタ(例えば、電気二重層キャパシタやリチウム-イオンキャパシタ)、電池(例えば、リチウム-イオン電池、及びリチウム-硫黄電池)、燃料電池、水素貯蔵装置などが挙げられる。ウルトラキャパシタやスーパーキャパシタとも称される電気二重層キャパシタ(EDLC)は、従来のキャパシタよりも、単位体積及び単位重量当たり、より多くのエネルギーを貯蔵することができるエネルギー貯蔵装置である。リチウムイオン電池は、非常に高いエネルギー密度を有するが、EDLCと比較して、はるかに小さい電力密度及び短いサイクル寿命を有する。リチウムイオンキャパシタは、EDLCとリチウムイオン電池とのハイブリッド構造を有する。装置の各タイプは、同じ又は異なる活性材料から作製することができる正極及び負極に関連付けられる。このような電極を作製する組成物及び方法は、様々な用途のために構築された装置の性能及びコストにとって、重要である。
以下の説明及び本明細書に記載された実施形態は、本発明の様々な態様の原理の特定の実施形態の一例又は複数例の説明の手段として提供される。これらの例は、種々の局面において、原理及び本発明の説明の目的のために、限定されることなく提供される。
本明細書で使用される電極フィルムは、集電体に付着されることなく、少なくとも活性粒子と1種以上のバインダとを含むペーストから押出及びプレスされた自己支持フィルムを指す。本明細書で使用される集電体との用語は、導電性の高い箔を指し、例えば、電極フィルムからの電子を伝導するために使用されるAl、Cu、Tiなどの箔を指す。本明細書で使用される電極との用語は、集電体上に取り付けられた電極フィルムのシートを指す。本明細書で使用される活性粒子との用語は、電極を形成している粉体又は粒子の形態の活性材料を指す。例えば、EDLCにおいて、活性粒子は、活性炭粒子であり得る。別の例として、リチウム-硫黄電池において、活性粒子は、硫黄含浸活性炭粒子であってもよい。
本発明は、導電性フレークを使用する新規組成物及び低エネルギー消費方法に関し、ペースト押出電極製造プロセス中に三次元導電性マトリックスを形成しつつ、ポリマー安定化粒子電極フィルムを強化するものである。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)8重量%のスーパーPカーボン粒子; 4)2重量%の黒鉛フレーク(直径6ミクロン)を含む。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.05kg/mm2である。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)5重量%のスーパーPカーボン粒子; 4)5重量%の黒鉛フレーク(直径6ミクロン)を含む。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.09kg/mm2である。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)10重量%のスーパーPカーボン粒子 を含む。導電性フレークなし。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.03kg/mm2である。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)8重量%のスーパーPカーボン粒子; 4)2重量%の黒鉛フレーク(直径15ミクロン)を含む。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.09kg/mm2である。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)8重量%のスーパーPカーボン粒子; 4)2重量%の黒鉛フレーク(直径50ミクロン)を含む。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.04kg/mm2である。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)6重量%のスーパーPカーボン粒子; 4)4重量%のグラフェン を含む。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.10kg/mm2である。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)8重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)7重量%のスーパーPカーボン粒子; 4)5重量%のアルミニウムフレーク(直径15ミクロン)を含む。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.12kg/mm2である。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)5重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)3重量%のポリエチレン; 4)8重量%のスーパーPカーボン粒子; 5)4重量%の黒鉛フレーク を含む。
成分1)-5)の総重量の5倍のトルエンを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.36kg/mm2である。
活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)5重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)3重量%のポリプロピレン; 4)7重量%のスーパーPカーボン粒子; 5)5重量%のグラフェン を含む。
成分1)-5)の総重量の5倍のアセトン/エタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
最小加熱で撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる。
電極フィルムの得られた引張強度は、0.50kg/mm2である。
活性炭電極:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)5重量%のスーパーPカーボン粒子; 4)5重量%のグラフェン を含む。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、150ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
前記150ミクロン厚の電極フィルムを、電極となる接着フィルム被覆Al箔(15μm)にプレスする。
上記電極から、80ファラド電気二重層キャパシタ(EDLC)を作った。
80ファラドのEDLCの得られた電気抵抗は、7.5mΩであった。
活性炭電極:
組成物は、1)80重量%の6ミクロンの活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)10重量%のスーパーPカーボン粒子 を含む。導電性フレークなし。
成分1)-4)の総重量の5倍のエタノールを、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、150ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
前記150ミクロン厚の電極フィルムを、電極となる接着フィルム被覆Al箔(15μm)にプレスする。
上記電極から、80ファラド電気二重層キャパシタ(EDLC)を作った。
80ファラドのEDLCの得られた電気抵抗は、25mΩであった。
硫黄含浸活性炭電極フィルム:
組成物は、1)80重量%の硫黄含浸活性炭; 2)10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE); 3)7重量%のスーパーPカーボン粒子; 5)3重量%の黒鉛フレーク を含む。
成分1)-4)の総重量の5倍の水を、混合物を調製するために、液体潤滑剤として組成物に添加した。
撹拌後、前記混合物は、ペーストになり、次に、室温で押出されてロール圧縮されて、100ミクロンの厚さの自己支持フィルムになる(加熱なし)。
自己支持フィルムの得られた引張強度は、0.10kg/mm2である。
前記100ミクロン厚の電極フィルムを、リチウム-硫黄電池のカソードとなる接着フィルム被覆Al箔(15μm)にプレスする。
得られたカソードは、1,236mAh/g(硫黄)の高容量を示し、5mg(硫黄)/cm2よりも大きい高負荷を有する。
Claims (19)
- 電極としての使用に適したキャパシタ用電極フィルムの製造方法であって、
(a)以下を含む組成物を撹拌して予備フィブリル化ペーストを調製する工程、
(i)60重量%よりも多い活性炭粒子、
(ii)15重量%以下の少なくとも1種のフィブリル化可能ポリマーバインダ、
(iii)15重量%以下の球状導電性粒子、
(iv)5~20ミクロンの範囲の直径を有し且つ1ミクロン未満の厚さを有する10重量%以下の導電性黒鉛フレーク、及び、
(v)前記組成物中の潤滑剤以外の成分の重量に対して5倍以下の割合の潤滑剤、
(b)前記ペーストを室温で押出して押出成形物にする工程、並びに、
(c)前記押出成形物を室温でロール圧縮して電極フィルムを製造する工程、
の各工程を含み、撹拌は、前記組成物にせん断力を加えることに寄与し、且つ、押出及びロール圧縮は、フィブリル化可能ポリマーバインダのフィブリル化に寄与する、製造方法。 - 前記活性粒子の粒子サイズが1~50ミクロンの範囲である、請求項1に記載の方法。
- 前記フィブリル化可能ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、コポリマー、各種ポリマーブレンド、天然又は合成ゴム、ポリアミド、ポリウレタン、液状樹脂、シリコン、エラストマーポリマー、オレフィンポリマー、及び、これらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記球状導電性粒子が、カーボンブラック粒子、スーパーPカーボン粒子、スーパーC65カーボン粒子、及び、これらの組合せからなる群から選択される球状導電性粒子である、請求項1に記載の方法。
- 前記球状導電性粒子は、1ミクロン未満の粒子サイズを有する、請求項4に記載の方法。
- 前記潤滑剤は、水、高沸点溶媒、消泡剤、分散助剤、ピロリドンミネラルスピリット、ケトン類、界面活性剤、ナフサ、アセテート類、アルコール類、グリコール類、トルエン、アセトン、クロロホルム、キシレン、アイソパー(登録商標)、及び、これらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記電極フィルムは、0.04kg/mm2よりも高い引張強度を有する、請求項1に記載の方法。
- 集電体上に前記電極フィルムをプレスして、エネルギー貯蔵装置において使用される電極を形成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記集電体は、金属箔、合金箔、金属メッシュ、合金メッシュ、導電性カーボンクロス、エッチングされた金属箔、及び、被覆金属箔からなる群から選択される、請求項8に記載の方法。
- 前記装置は、エネルギー貯蔵装置、フィルタ、及び、触媒担体からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 電極としての使用に適したキャパシタ用電極フィルムであって、
(a)60重量%よりも多い活性炭粒子、
(b)15重量%以下の少なくとも1種のフィブリル化可能ポリマーバインダ、
(c)15重量%以下の球状導電性粒子、及び、
(d)5~20ミクロンの範囲の直径を有し且つ1ミクロン未満の厚さを有する10重量%以下の導電性黒鉛フレーク、
を含む、キャパシタ用電極フィルム。 - さらに、(e)前記組成物中の潤滑剤以外の成分の重量に対して5倍以下の割合の潤滑剤を含む、請求項11に記載の電極フィルム。
- 前記活性粒子の粒子サイズが1~50ミクロンの範囲である、請求項11に記載の電極フィルム。
- 前記フィブリル化可能ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、コポリマー、各種ポリマーブレンド、天然又は合成ゴム、ポリアミド、ポリウレタン、液状樹脂、シリコン、エラストマーポリマー、オレフィンポリマー、及び、これらの組み合わせからなる群から選択される、請求項11に記載の電極フィルム。
- 前記球状導電性粒子が、カーボンブラック粒子、スーパーPカーボン粒子、スーパーC65カーボン粒子、及び、これらの組合せからなる群から選択される球状導電性粒子である、請求項11に記載の電極フィルム。
- 前記球状導電性粒子は、1ミクロン未満の粒子サイズを有する、請求項15の電極フィルム。
- 前記電極フィルムは、0.04kg/mm2よりも高い引張強度を有する、請求項11に記載の電極フィルム。
- 前記電極フィルムは、集電体上にプレスされて、エネルギー貯蔵装置において使用される電極を形成している、請求項11の電極フィルム。
- 前記装置は、エネルギー貯蔵装置、フィルタ、及び、触媒担体からなる群から選択される、請求項11に記載の電極フィルム。
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